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Elucidation of mechanisms of neuronal network formation by visualization and manipuration of membrane traffic

Research Project

Project/Area Number 22K06213
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 44010:Cell biology-related
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

戸島 拓郎  国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 上級研究員 (00373332)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords成長円錐 / 軸索ガイダンス / 膜交通 / オルガネラ / 超解像顕微鏡 / 神経回路形成 / 光遺伝学ツール
Outline of Research at the Start

全ての脳機能は発生期に構築される神経回路の正確な配線パタンに依存しており、神経配線の異常は種々の神経疾患に直結する。発生過程の神経細胞から伸びる軸索突起の先端部(成長円錐)は、周辺環境を感知して方向転換しながら移動し、遥か遠隔の標的まで正確に辿り着く。本研究では、成長円錐の運動性を統御する司令塔として膜交通機構に焦点を当て、膜交通が各種機能分子群の細胞内局在や動態を適材適所にコントロールすることで、成長円錐の臨機応変な運動性を生み出す仕組みを解明する。そのために、我々が開発した次世代型高速超解像顕微鏡と光遺伝学ツールを駆使し、生きた成長円錐内における様々な膜交通現象を精密に観て、操作する。

Outline of Annual Research Achievements

脳機能は発生期に構築される神経回路の正確な配線パタンに依存しており、神経配線の異常は種々の神経疾患に直結する。発生過程の神経細胞から伸びる軸索突起の先端部(成長円錐)は、周辺環境を感知して方向転換しながら移動し、遥か遠隔の標的まで正確に辿り着く。本課題では、成長円錐の運動性を統御する司令塔として膜交通機構に焦点を当て、膜交通が各種機能分子群(細胞骨格制御因子・接着因子等)の細胞内局在や動態を適材適所にコントロールすることで、成長円錐の臨機応変な運動性を生み出す仕組みを解明することを目指している。そのために、研究代表者らが開発した高速超解像顕微鏡SCLIMや光遺伝学ツールを駆使し、生きた成長円錐内における様々な膜交通現象を精密に観て、操作する。
令和5年度は、耐褪色性能に非常に優れた性能を持つ新奇蛍光タンパク質StayGoldを用いて、我々が開発した最新モデルの高速超解像顕微鏡SCLIM2Mによる観察を行った。SCLIM2Mではシャッターを開放して時間軸をシームレス(インターバル無し)に連続撮像するため、蛍光タンパク質の褪色が大きな問題となっていたが、StayGoldの導入により少なくとも数十秒間、ほぼ褪色無しで連続撮像することに成功した。また、RUSH法により小胞体で新規合成された膜タンパク質がゴルジ体を通過する様子も、毎秒20立体という高速で捉えた。ゴルジ体の機能を細胞内局所で操作する光遺伝学ツールの改良・性能検証も進めている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

最新モデルの高速超解像顕微鏡SCLIM2Mが完成(論文発表に向けて現在改訂中)し、本格的に稼働が始まったため。新奇蛍光タンパク質StayGoldの導入と合わせて、今後の新しい観察結果を得るための準備が整った。その他の研究計画も概ね順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

最新型高速超解像顕微鏡SCLIM2MとStayGoldを組み合わせて、神経細胞の局所領域(とくに成長円錐)において、極めて高い時空間分解能で膜交通や積荷動態を解析してゆく。合わせて、開発した膜交通を操作する光遺伝学ツールを用いて、細胞内局所で膜交通を促進/阻害した時の成長円錐の運動に対する影響についても解析してゆく。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (29 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 3 results) Presentation (22 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 7 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Spatiotemporal dissection of the Golgi apparatus and the ER-Golgi intermediate compartment in budding yeast2024

    • Author(s)
      Tojima Takuro、Suda Yasuyuki、Jin Natsuko、Kurokawa Kazuo、Nakano Akihiko
    • Journal Title

      eLife

      Volume: 13

    • DOI

      10.7554/elife.92900

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Spatiotemporal Dynamics of Membrane Traffic Revealed by High-speed Super-resolution Microscopy2023

    • Author(s)
      戸島 拓郎、中野 明彦
    • Journal Title

      KENBIKYO

      Volume: 58 Issue: 2 Pages: 80-83

    • DOI

      10.11410/kenbikyo.58.2_80

    • ISSN
      1349-0958, 2434-2386
    • Year and Date
      2023-08-30
    • Related Report
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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The yeast endocytic early/sorting compartment exists as a functionally independent sub-compartment within the trans-Golgi network.2023

    • Author(s)
      Junko Y. Toshima, Ayana Tsukahara, Makoto Nagano, Takuro Tojima, Daria E. Siekhaus, Akihiko Nakano, and Jiro Toshima
    • Journal Title

      eLife

      Volume: 12 Pages: 1-27

    • DOI

      10.7554/elife.84850

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Golgi retention and oncogenic KIT signaling via PLCγ2-PKD2-PI4KIIIβ activation in gastrointestinal stromal tumor cells2023

    • Author(s)
      Obata Yuuki、Kurokawa Kazuo、Tojima Takuro、Natsume Miyuki、Shiina Isamu、Takahashi Tsuyoshi、Abe Ryo、Nakano Akihiko、Nishida Toshirou
    • Journal Title

      Cell Reports

      Volume: 42 Issue: 9 Pages: 113035-113035

    • DOI

      10.1016/j.celrep.2023.113035

    • Related Report
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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Super-Resolution Live Imaging of Cargo Traffic Through the Golgi Apparatus in Mammalian Cells2023

    • Author(s)
      Tojima Takuro、Miyashiro Daisuke、Kosugi Yasuhito、Nakano Akihiko
    • Journal Title

      Methods in Molecular Biology

      Volume: 2557 Pages: 127-140

    • DOI

      10.1007/978-1-0716-2639-9_10

    • ISBN
      9781071626382, 9781071626399
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      戸島拓郎
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      第11回RAPシンポジウム
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      第11回RAPシンポジウム
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      半澤未来、小幡孝太郎、シマ フェリックス、河野弘幸、戸島拓郎、宮代大輔、尾笹一成、花田修賢、中野明彦、宮地悟代、宮脇敦史、杉岡幸次
    • Organizer
      光・量子デバイス研究会
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      戸島拓郎
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      第75回日本細胞生物学会年会
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      松浦公美、山本航、戸島拓郎、中野明彦
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      第75回日本細胞生物学会年会
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      第87回日本生化学会中部支部例会
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      小幡裕希、黒川量雄、戸島拓郎、夏目美祐希、椎名勇、高橋剛、安部良、中野明彦、西田俊朗
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      第96回日本生化学会大会
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  • [Presentation] 膜交通のダイナミクスの真実に迫る―酵母RUSH法開発とライブセルイメージングへの応用2023

    • Author(s)
      神奈亜子、黒川量雄、戸島拓郎、須田恭之、中野明彦
    • Organizer
      酵母遺伝学フォーラム第56回研究報告会
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    • Author(s)
      戸島 拓郎
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      松浦公美、山本航、戸島拓郎、中野明彦
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      第46回日本分子生物学会年会
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  • [Presentation] 哺乳動物細胞のゴルジ体のサブコンパートメントにおける糖転移酵素の局在解析2023

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      立尾清悟、齋藤泰輝、戸島拓郎、甲賀大輔、矢木宏和、加藤晃一
    • Organizer
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  • [Presentation] Dynamics of membrane traffic in the neuronal growth cone revealed by super-resolution live imaging2022

    • Author(s)
      Takuro Tojima
    • Organizer
      Neuro2022
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ゴルジ体形成・成熟の時空間ダイナミクス2022

    • Author(s)
      戸島拓郎
    • Organizer
      第95回日本生化学会大会
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    • Invited
  • [Presentation] ゴルジ体とその周辺における選別輸送―可視化によるメカニズム解明2022

    • Author(s)
      中野明彦、戸島拓郎
    • Organizer
      第95回日本生化学会大会
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    • Invited
  • [Presentation] 近接依存性標識を利用した糖転移酵素の細胞内局在の解析2022

    • Author(s)
      齋藤泰輝、足達俊吾、戸島拓郎、矢木宏和、加藤晃一
    • Organizer
      第41回日本糖質学会年会
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      小幡裕希、黒川量雄、戸島拓郎、夏目美祐希、椎名勇、高橋剛、安部良、中野明彦、西田俊朗
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      第45回分子生物学会年会
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  • [Presentation] ゴルジ体のサブコンパートメントにおける糖転移酵素の局在2022

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      矢木宏和、戸島拓郎、甲賀大輔、西栄美子、齋藤泰輝、加藤薫、加藤晃一
    • Organizer
      第31回日本バイオイメージング学会学術集会
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  • [Presentation] 出芽酵母エンドサイトーシス経路の選別区画は初期トランスゴルジ網に存在する2022

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      十島純子、塚原彩奈, 長野真、戸島拓郎、中野明彦、十島二朗
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  • [Presentation] Promotion of sialylation of recombinant glycoprotein by tagging it with a specific sequence recognized by a cargo receptor complex2022

    • Author(s)
      Hirokazu Yagi, Rino Yamada, Shungo Adachi, Jun-ichi Furukawa, Taiki Saito, Kengo Inutsuka, Rio Nakano, Saeko Yanaka, Rena Honda, Kazuhiro Aoki, Takuro Tojima, Maho Yagi-Utsumi, Koichi Kato
    • Organizer
      SIALOGLYCO 2022
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高速超解像顕微鏡によるゴルジ体の時空間動態の解析2022

    • Author(s)
      戸島拓郎
    • Organizer
      第27回ExCELLSセミナー
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    • Invited
  • [Remarks] 生細胞超解像イメージング研究チーム

    • URL

      https://rap.riken.jp/labs/sprg/lcmirt/

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  • [Remarks] 生細胞超解像イメージング研究チーム

    • URL

      http://sclim.riken.jp/

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URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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